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雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究

2017-04-13 14:50:57 大云網(wǎng)  點(diǎn)擊量: 評(píng)論 (0)
核心提示:  雙凸極電機(jī)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī),是交流電機(jī)調(diào)速與傳動(dòng)領(lǐng)域近年來繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一新的研究方向  雙凸極電機(jī)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī),是交流電機(jī)
核心提示:  雙凸極電機(jī)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī),是交流電機(jī)調(diào)速與傳動(dòng)領(lǐng)域近年來繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一新的研究方向
  雙凸極電機(jī)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機(jī),是交流電機(jī)調(diào)速與傳動(dòng)領(lǐng)域近年來繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一新的研究方向,其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能已得到越來越多的關(guān)注和研究[1~5 ].雙凸極電機(jī)在結(jié)構(gòu)上與帶有閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)類似,只是在定子上(或轉(zhuǎn)子上)裝有永磁體(或電勵(lì)磁線圈) ,在調(diào)速性能上與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相近[ 3, 4 ].雙凸極電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩/電流比大、功率因數(shù)接近于1、效率高等。
  然而由于這種電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和供電電源的開關(guān)形式,導(dǎo)致了其不可避免的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性。
  雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖轉(zhuǎn)矩疊加而成的,由于雙凸極結(jié)構(gòu)的影響,其合成轉(zhuǎn)矩并不是恒定轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要源于兩種情況,一種是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),是由開關(guān)管高頻PWM工作造成的,對(duì)電機(jī)性能影響相對(duì)較小另一種是電流換向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)性能影響較大。由于轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響雙凸極電機(jī)調(diào)速性能的重要因素,本文對(duì)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析,研究如何通過雙拍控制以及改進(jìn)控制參數(shù)和勵(lì)磁電流波形等方法減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),為雙凸極電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
  1轉(zhuǎn)矩仿真分析假設(shè)雙凸極電機(jī)的電感為分段線性化的理想情況,電機(jī)的電感不隨電樞電流變化,并認(rèn)為在電勵(lì)磁的情況下,勵(lì)磁磁導(dǎo)無窮大,使相與相之間的互感近似為零。雙凸極電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為以A相為例,電機(jī)一相的輸出轉(zhuǎn)矩為式中: T為磁阻轉(zhuǎn)矩,是A相繞組通過電流時(shí),隨著轉(zhuǎn)子位置的不同,電樞繞組電感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量 T為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩,是A相繞組通過電流時(shí),隨著轉(zhuǎn)子位置的不同,電樞繞組與勵(lì)磁繞組的互感發(fā)生變化而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。不考慮相與相之間的互感時(shí),可以分別計(jì)算各相的輸出轉(zhuǎn)矩,再將它們線性疊加,求出輸出的總轉(zhuǎn)矩。
  1. 1電流控制時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析在電流不控制的情況下,電流波形正負(fù)不對(duì)稱,正向幅值小于負(fù)向幅值,見圖1( a)。這是因?yàn)檎螂娏鬟_(dá)到峰值時(shí),電感L達(dá)到最大值,電感阻礙電流變化的作用較大,使電流變化緩慢,波形較禿而反向電流達(dá)到峰值時(shí),電感L達(dá)到最小值,電感阻礙電流變化的作用較小,使電流變化迅速,波形較尖,從而使正反向電流不對(duì)稱。加了電流控制后,電流就會(huì)被控制在某一值附近,使電流波形較對(duì)稱,見圖1( b)。另外,由于電感的影響,在兩種情況下,均為正向電流向負(fù)向電流換向時(shí),電流變化較慢,而負(fù)向電流向正向電流換向時(shí),電流變化較快。
  對(duì)稱使轉(zhuǎn)矩波形在正負(fù)兩個(gè)半周內(nèi)不對(duì)稱,換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大若進(jìn)行電流控制,則正負(fù)半周電流較對(duì)稱,雖然仍存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但較之不加控制時(shí)( a)電流不控制情況下電感、相電壓、電流及勵(lì)磁電流波形( b)電流控制情況下電感、相電壓、電流及勵(lì)磁電流波形( c)電流不控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形( d)電流控制情況下各轉(zhuǎn)矩波形相蓉,等:雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究變小了。由式( 2)知,由于雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩上加上磁阻轉(zhuǎn)矩,勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩恒為正,而磁阻轉(zhuǎn)矩是正負(fù)交替的,只有當(dāng)勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多時(shí),輸出轉(zhuǎn)矩才不會(huì)因?yàn)榇抛柁D(zhuǎn)矩的影響而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)。電流不控制時(shí),磁阻轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩大小差不多,甚至可能某一時(shí)刻磁阻轉(zhuǎn)矩大于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩,使得輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。在電流控制的情況下,相電流本身脈動(dòng)較小,而且在這種情況下,可以做到使磁阻轉(zhuǎn)矩小于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變小。
  1. 2單拍工作時(shí)控制參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響雙凸極電機(jī)一般有兩種工作方式:單拍工作方式和雙拍工作方式。單拍工作方式在任一時(shí)刻只有一相繞組導(dǎo)通,而雙拍工作方式有兩相繞組同時(shí)導(dǎo)通。顯然,雙拍工作方式的輸出轉(zhuǎn)矩要大于單拍工作方式,雙拍工作方式時(shí)的轉(zhuǎn)矩/電流比大于單拍工作方式。
  矩脈動(dòng)明顯減小,但由于電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大,仍將對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生較大的影響。因此有必要研究通過改變電機(jī)控制參數(shù)減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法之一就是使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩比磁阻轉(zhuǎn)矩大得多,從而使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。下面嘗試用改變電樞電流和勵(lì)磁電壓這兩個(gè)控制參數(shù)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  1. 2. 1改變電樞電流減小相電流可明顯減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。此處定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為正半周平均轉(zhuǎn)矩與負(fù)半周平均轉(zhuǎn)矩之差比一周內(nèi)平均轉(zhuǎn)矩。圖2表明,當(dāng)電樞平均電流幅值I為7 A時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為43. 5 而當(dāng)I為5 A時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降為11. 8.這是因?yàn)闇p小相電流I平方按平方關(guān)系減小,使之減小幅度遠(yuǎn)大于T的減小幅度,從而使T遠(yuǎn)小于T ae,因此采用此方法可以有效地減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  1. 2. 2改變勵(lì)磁電壓由圖3可見,增大勵(lì)磁電壓U f,可明顯減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng), U 14 V時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為31. 6 而當(dāng)U矩脈動(dòng)下降為24. 0.由式( 2)知,勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T正比于I而磁阻轉(zhuǎn)矩T不隨I的變化而變化,所以勵(lì)磁電壓U增大時(shí),相應(yīng)地提高了I f,使輸出的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩T相應(yīng)增大,而此時(shí)電樞電流保持不變,也保持不變,故T比在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中所占的份量增大,因此達(dá)到了減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的。
  1. 3雙拍工作方式轉(zhuǎn)矩分析單拍工作方式存在較大的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),另外,由于電感特性中有約1 /3周期的電感值不變,決定了這種工作方式有約1 /3周期輸出轉(zhuǎn)矩為零,為進(jìn)一步改善雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性,可采用雙拍工作方式。
  南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)比較圖3~5可知,雙拍工作方式輸出轉(zhuǎn)矩比單拍工作方式約大兩倍,且不存在輸出轉(zhuǎn)矩為零的區(qū)間,這是由于雙拍工作方式任一時(shí)刻有兩相同時(shí)工作,輸出轉(zhuǎn)矩為兩相轉(zhuǎn)矩疊加。另外,由于兩相工作的對(duì)稱性,當(dāng)兩相輸出轉(zhuǎn)矩疊加時(shí),這兩相的電流反向,產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也反向,疊加時(shí)磁阻轉(zhuǎn)矩的作用可以抵消,有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  1. 4改變勵(lì)磁電流波形的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分析雖然采用雙拍工作方式有效地減小了電流換向引起的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但是雙凸極電機(jī)的工作原理決定了電流由于換向必然存在過零點(diǎn),使得各相轉(zhuǎn)矩必然存在過零點(diǎn),由電感特性決定了輸出轉(zhuǎn)矩中可能存在兩相同時(shí)換相,轉(zhuǎn)矩同時(shí)過零,而另一相轉(zhuǎn)矩非零的情況,此時(shí)由于電感處于最大值,阻礙相電流變化作用明顯,使得電流換向的變化率不夠大,形成換相缺口,如圖5中的t期間。要消除此缺口,可考慮在t期間加大第三相的勵(lì)磁相蓉,等:雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的仿真研究電流(見圖7)以提高其輸出轉(zhuǎn)矩,以此彌補(bǔ)換相引起的缺口,減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由圖6, 8可見,改變勵(lì)磁電流的波形增大了另一相在其它兩相換相期間的輸出轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的換相缺口減小。
  可見改變勵(lì)磁電流波形可有效地減小換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  勵(lì)磁電流波形輸出轉(zhuǎn)矩波形2結(jié)論轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是影響雙凸極電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的重要指標(biāo),因此研究減小雙凸極電機(jī)電流換向和電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)具有很大的意義。本文提出了改變雙凸極電機(jī)的控制參數(shù)、采用雙拍工作方式和改變勵(lì)磁電流波形等方法改善雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性,得出如下結(jié)論:( 1)要減小雙凸極電機(jī)的換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),就要使勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩在輸出轉(zhuǎn)矩中起主要作用。單拍工作方式時(shí)可采用的方法有:減小電機(jī)的相電流和增大勵(lì)磁電壓,但前者是以減小輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的,而后者又能提高輸出轉(zhuǎn)矩,所以最好將兩種方法結(jié)合起來,既減小換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),又得到所需的輸出轉(zhuǎn)矩。
  ( 2)雙拍工作方式下提高了輸出轉(zhuǎn)矩,其轉(zhuǎn)矩/電流比大,另外由于兩相同時(shí)工作,當(dāng)兩相電流方向相反時(shí)產(chǎn)生相反的磁阻轉(zhuǎn)矩,在輸出轉(zhuǎn)矩中相抵,因此較單拍工作方式有效地減小了換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  ( 3)改變雙凸極電機(jī)勵(lì)磁電流的波形,可以在某兩相電流換相時(shí),增大另一相的轉(zhuǎn)矩,疊加時(shí)可以彌補(bǔ)由于換相產(chǎn)生的缺口。因此改變勵(lì)磁電流的波形可改善換相缺口,有效地減小電機(jī)的換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
  
 
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責(zé)任編輯:電小二

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